KR20080096747A - 미세소판 셀룰로스 입자를 포함하는 페이퍼보드 - Google Patents

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average particle
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폴 제이. 주로우
마크 에이. 존슨
데이비드 이. 녹스
대럴 엠. 웨이트
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미드웨스트바코 코포레이션
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Abstract

미세소판 셀룰로스 입자를 포함하는 페이퍼보드는 개선된 표면 평활도, 심미적 특성, 굽힘 강성 및 강도 성능을 갖는다. 미세소판 셀룰로스 입자가 페이퍼보드의 표면 처리에 사용되는 경우 미세소판은 보드 표면상에 섬유들 사이의 보이드를 채운다. 결과적으로, 처리된 보드는 굽힘 강성을 손상하지 않으면서 강도 및 표면 특성, 가령 평활도, 불투명도, 코팅 보유력 및 인쇄성이 개선된다. 또한, 본 발명은 다른 목적하는 성능을 유지하면서 고밀도화를 요구하지 않으면서 보드 강도, 표면 평활도 및/또는 굽힘 강성을 개선하는 방법에 관한 것이다.

Description

미세소판 셀룰로스 입자를 포함하는 페이퍼보드{PAPERBOARD CONTAINING MICROPLATELET CELLULOSE PARTICLES}
제지 공정은 헤드박스(headbox)로부터 얻어진 희석된 셀룰로스 섬유의 수성 슬러리를 포드리니어 와이어(fourdrinier wire)로서 알려져 있는 이동 스크린상을 통과시켜서 스크린을 통해 슬러리로부터 물을 배수하고 실질적으로 강화된 섬유 매트(fiber mat)를 형성하는 단계, 그후 사이즈 프레스(size press)를 사용하여 상기 섬유 매트를 프레싱하는 단계[여기서, 상기 매트 중에 남아 있는 대부분의 물이 롤 닙 스퀴징(roll nip squeezing)에 의해서 제거됨], 마지막으로 남아 있는 물을 열역학적으로 제거하기 위해 초지기(paper machine)의 건조 섹션으로 상기 수득된 매트를 통과시키는 단계를 포함한다.
종이류 제품, 가령 종이 및 페이퍼보드는 전형적으로 코팅되어 이의 표면 특성을 향상시킨다. 종이 코팅은 종종 복잡하고 고가의 장비를 요구하며, 전형적으로 제지 공정의 오프라인에서 실시된다. 결과적으로, 코팅 단계는 제지 공정에서 비용을 크게 증가시킨다. 종이의 표면 특성을 실질적으로 향상시키기 위해서는 전형적으로 코팅 중량, 약 2-6 lbs/1000 ft2이 요구된다. 코팅 중량이 너무 적으면 표면 특성에서 목적하는 향상이 제공되기에 충분한 균일함을 제공하지 않기 때문에 통상 더 높은 코트 중량이 요구된다. 상기 상대적으로 높은 코트 중량은 제지 비용을 크게 증가시킬 뿐만 아니라, 종이의 기본 중량을 증가시켜서 종이의 선적 비용을 증가시킨다.
페이퍼보드는 전형적으로 0.3 mm 이상의 두께, 약 0.3 mm 내지 약 1.2 mm의 캘리퍼 범위(caliper range), 및 약 120 g/m2 내지 약 500 g/m2의 기본 중량 범위를 갖는다. 페이퍼보드는 통상 5개 등급으로 분류된다: 고형 표백 설페이트(solid bleached sulfate), 코팅된 표백되지 않은 크래프트(coated unbleached Kraft), 클레이 코팅 뉴스(clay coated news), 폴딩 박스보드(folding boxboard) 및 비코팅된 재활용 박스보드(uncoated recycled boxboard).
포장용(packaging applications)으로 사용되는 경우, 패키징 보드는 높은 인쇄 품질을 위해 양호한 표면 특성을 갖는 것이 바람직하다. 그러므로, 패키징 보드는 안료계 제제로 통상 코팅된다. 불투명도(opacity)를 부여하기 위해서, 패키징 보드는 안료 결합제내 불투명화 안료(opacifying pigment), 가령 이산화티탄 및 클레이로 전형적으로 코팅된다. 목재 섬유들 사이의 표면 간격은 50-100 um의 범위이며, 불투명화 안료의 크기는 1 um 미만이다. 섬유 보이드(void)를 채우고 매끄러운 페이퍼보드 표면을 형성하기 위해서, 높은 수준의 불투명화 안료가 요구되어 보드 제조에서 비용을 크게 증가시킨다. 또한, 불투명화 안료는 셀룰로스보다 더 밀도가 높기 때문에, 보드의 기본 중량을 증가시켜서 선적 비용을 증가시키는 경향이 있다. 또한, 굽힘력(bending force) 및 인장 강성(tensile stiffness)과 같은 패키징 보드의 강도 특성을 손상시켜서 만들어지는 많은 경우에서 표면 인쇄 품질을 개선시키는 수단이 있다.
물리적 성능을 감소시키지 않고 제조 비용을 크게 증가시키지 않으면서 페이퍼보드의 표면 특성, 예를들면 평활도(smoothness), 불투명도(opacity), 인쇄성(printability)을 향상시키려는 노력이 계속되어 왔다. 미국 특허 제6,645,616호에서는 음료용 캐리어 또는 캐리어 보드로 사용하기에 적당한 표면 특성 및 강도 특성을 향상시킨 적층 보드(laminated board)를 기술하고 있다. 상기 적층 보드는 경량의 코팅된 인쇄되지 않은 백색 페이퍼를 표백되지 않거나 또는 표백된 보드 기재상에 적층시킴으로써 제조된다. 미국 특허 출원 제2003/0,091,762호에서는 얇은 표백 섬유 페이퍼를 표백되지 않은 보드 기재상에 적층시킴으로써 백색 탑 페이퍼보드를 제조하는 것이 기술되어 있다. 상기 방법은 페이퍼보드 제조 공정에 추가의 공정 단계를 필요로 하며, 가령 오프-라인 코팅 및 적층 단계를 필요로 하여 공정 비용을 증가시킨다. 미국 특허 출원 제2005/0,039,871호는 공정 비용을 감소시키기 위해서 1단계 코팅 작업을 위한 다층 커튼(multilayer curtain)을 사용하는 것을 기술하고 있다. 공정 비용을 감소시키기 위한 또다른 접근법으로는 불투명도 및 표면 평활도를 향상시키기 위해 산화티탄 안료 대신에 저비용의 충전제를 사용하는 것이다. 미국 특허 출원 제2006/0,065,379호에서는 백색 탑 페이퍼보드의 제조를 위해서 저비용의 미네랄 충전제, 표백 섬유 및 결합제를 사용하는 것이 개시되어 있다. 미국 특허 출원 제2004/086,626호에서는 양질의 인쇄 용지를 제조하기 위해서 코팅 제제내에 저비용의 보이드 충전제(void filler)로서 기계적으로 분쇄된 섬유를 사용한다. 미국 특허 제4,888,092호에서, 100 메쉬(mesh) 스크린을 통과하는 입자 크기를 가지며 25% 미만의 섬유 및 섬유 단편을 포함하고 적어도 50 중량%의 레이 셀(ray cell)을 포함하는 펄프 미세물(pulp fines)을 1차 페이퍼 시트의 표면상에 층(layer)으로서 도포하여 페이퍼의 표면 평활도를 향상시킨다.
섬유 보이드를 채우고 매끄러운 보드 표면을 형성하기 위해 사용되는 초미세 섬유가 개발되고 있다. PCT 특허 출원 제2004/087,411호 및 미국 특허 출원 제2004/223,040호에서는 나노미터 직경의 일렉트로스펀 섬유(electrospun fiber)를 보드 표면에 도포하는 것이 기술되어 있다. 그러나, 상기 방법은 페이퍼보드의 상업적 제조 방법에 있어서 너무 비용이 많이 든다는 것이다. 미세결정 셀룰로스(MCC)가 표면 보이드를 채우고 매끄러운 표면을 제공하기 위해서 사용된다(미국 특허 제7,037,405호; 미국 특허 출원 제2005/239,744호; PCT 특허 출원 제2006/034,837). 미국 특허 제7,037,405호에서는 텍스쳐된(texturized) MCC 현탁액으로 처리된 페이퍼보드 표면은 강도 및 표면 인쇄성을 향상시킨다고 기술하고 있다. 기술된 텍스쳐된 MCC는 저등급 섬유 펄프, 가령 남부 소나무(southern pines) 및 다른 화학적 침엽수(chemical softwoods)의 산 가수분해하고 기계적 섬유분리(mechanical defibrillation)를 통해 제조된다. 그러나, MCC는 제조하는데 꽤 비용이 들며, 이는 상기 형태의 텍스쳐된 MCC가 높은 α-셀룰로스 함량을 갖는 산 예비추출된(acid pre-extracted) 셀룰로스 섬유로부터 본질적으로 분리 및 정제되기 때문이다. 상기 MCC 현탁액은 유동성을 조절하기 위해 스타치 또는 다른 점도 변형제를 갖는 현탁액으로 제제화되어 현탁액을 페이퍼 및 페이퍼보드 표면에 도포할 수 있다.
미소섬유상 셀룰로스(microfibrillated cellulose, MFC)는 표면 특성을 향상시키기위해서 페이퍼보드의 표면 처리에 대해 조사되었다. PCT 특허 출원 제2004/055,267호에서는 강도 특성을 떨어뜨리지 않으면서 패키징 재료(packaging material)의 표면 인쇄성을 향상시키기위해 사용되는 섬유의 효소적 처리로부터 수득된 MFC의 용도를 기술하고 있다. 그러나, 수득된 효소적 MFC 현탁액은 불안정하며 카르복시메틸셀룰로스에 의해서 분산 및 안정화되어야 한다. 또한, 카르복시메틸셀룰로스는 MFC 현탁액의 유동성을 향상시키기위해서 요구되어 MFC 현탁액은 건조된 패키징 재료 표면에 코팅될 수 있다. 미국 특허 제4,861,427호 및 제5,637,197호에서는 표면 처리를 위한 박테리아성 셀룰로스 MFC의 용도를 기술하고 있다. MCC와 유사하게, MFC는 상대적으로 고가이다. 현재, 제조 규모로 MFC를 제조하려는 시도가 있었다.
미국 특허 제4,474,949호에서는 미세소판 셀룰로스 입자(microplatelet cellulose particles, MPC)로 공지된 불연속 소판(discrete platelets)형태의 미소섬유상 셀룰로스를 기술하고 있다. 상기 MPC 입자는 셀룰로스 섬유의 제2 벽의 적어도 최외부가 미소섬유상 형태로 완전히 분해되는 정도로 희석된 셀룰로스 섬유 수성 분산액을 기계적으로 처리(beating)함으로써 제조된다. 그후 처리된 분산액을 동결 건조한다. 수득된 MPC 입자는 높은 흡수 용량 및 유체 보유율을 가지므로 체액을 흡수하기 위해 사용되는 위생 내프킨, 기저귀, 붕대 등과 같은 흡습성 제품 에 사용하기에 적당하다.
일본 특허 출원 제2004/230,719호에서는 너비 1-50 ㎛, 길이 1-50 ㎛ 및 두께 0.1-10 ㎛를 갖는 MPC를 기술하고 있다. 상기 용이하게 배향되고 균일하게 분산된 MPC 입자는 셀룰로스 물질을 분쇄함으로써 수득된다. 합성 폴리머, 지방산 및 물 또는 유기 용매의 혼합물은 셀룰로스 물질로 기계적으로 분쇄될 수 있다. 합성 폴리머는 폴리알콜, 폴리에테르, 폴리올레핀 및 폴리아미드일 수 있다. 분쇄 공정에 적당한 유기 용매는 알칸, 알콜, 케톤, 에테르 및 방향족 탄화수소를 포함한다. 수득된 MPC 입자는 무미무취이기 때문에, 농축시키고 수분보유값을 향상시키며 촉감을 증가시키기 위한 식품 첨가제로서 사용될 수 있다. 또한, 이들은 의약품 및 화장품에 충전제로서 사용될 수 있다.
코팅에 사용되는 안료의 양은 코팅될 기재의 평활도와 관련이 있다. 페이퍼보드의 평활도를 증가시키고 요구되는 불투명화 안료의 양을 감소시키는데 몇가지 수단이 사용될 수 있다. 건식 캘린더링(dry calendering) 또는 습식 캘린더링(wet calendering)에 의해 페이퍼보드의 표면 평활도를 향상시킨다. 캘린더링 동안, 페이퍼보드 구조가 압축되어 두께를 감소시킨다[예컨대, 더적은 캘리퍼(lower caliper)]. 캘리퍼와 굽힘 강성(bending stiffness) 사이의 관계는 하기 식으로 보고된다:
Figure 112008042286712-PCT00001
여기서, Sb는 굽힘 강성이며;
E는 탄성 모듈러스이고; 및
t는 두께 또는 캘리퍼이다.
페이퍼보드의 굽힘 강성 특성은 보드 두께의 입방과 직접 관련이 있다. 캘린더링을 통한 페이퍼보드의 표면 평활도를 향상시킴으로써 캘리퍼 두께를 감소시키고 굽힘 강성을 크게 감소시킨다. 또한, 습식 캘리더링은 종종 상기 보드의 재습윤 및 재건조를 요구하기 때문에 기계 속도를 감소시킨다.
패키징 용도를 위해서, 높은 인쇄 품질 및 심미적 외관에 있어서 표면 평활도 뿐만 아니라 몇가지 성능, 가령 높은 굽힘 강성 및 우수한 강도를 갖는 페이퍼보드를 갖는 것이 바람직하다.
높은 굽힘 강성은 견고하고 강한 패키징 보드를 제공한다. 또한, 높은 굽힘 강성은 패키징 기계, 특히 고속 인쇄 및 전환을 위한 패키징 기계에 있어서 양호한 실행력이 필수적이다. 페이퍼보드 음료용 캐리어, 가령 우유 또는 쥬스 카톤에서 부풀어오르는 것을 방지하는데 가치가 있다. 페이퍼보드의 굽힘 강성을 증가시키기위해서 몇가지 방법이 사용되지만, 그러나 다른 보드 특성을 희생시킴으로써 개선된다. 팽화제(bulking agent)는 굽힘 강성을 향상시키기위해서 페이퍼보드에 첨가될 수 있다. 그러나, 팽화제는 또한 상기 물질의 분리 영향(debonding effect) 때문에 페이퍼보드에 더 낮은 인장 강도를 부여한다.
패키징 용도로 사용되는 경우, 상기 페이퍼보드가 높은 강도를 갖는 것이 바람직하다. 패키징 보드의 강도 특성을 향상시키기 위한 전형적인 접근법으로 보드 밀도의 바람직하지 않은 증가를 이끈다. 미국 특허 제6,322,667호에서는 보드 밀 도를 크게 증가시키지 않으면서 보드의 건조 인성 및 강도를 향상시키기위해서 과열 증기를 사용하는 것이 개시되어 있다. 보드는 공기 중에서 건조시키는 것보다 과열 증기에서 건조시키거나 또는 가열된 금속 표면상의 공기 중에서 건조를 실시한다. 그럼에도 불구하고, 상기 방법은 보드 제조에 있어서 사용되는 펄프의 형태에 대해서 더 민감하다. 순수 기계적 펄프로 제조된 보드는 보드 밀도를 증가시키지 않으면서 건조 인성 및 강도를 크게 향상시킨다. 반면에, 순수 화학적 펄프, 가령 크래프트(kraft)로 제조된 보드는 과열 증기에서 건조시킨 이후에 강도가 증가되는 것을 보여준다.
불행하게도, 패키징 보드의 하나의 성능을 향상시키려는 노력은 다른 목적하는 성능을 희생시킴으로써 통상 달성된다. 예를들면 캘린더링은 페이퍼보드의 표면 평활도를 향상시키지만, 그러나 굽힘 강성 및 강도를 떨어뜨린다.
그러므로, 굽힘 강성 및 강도를 손상시키지 않으면서 표면 평활도 및 다른 심미적 특성을 향상시킨 패키징 보드가 요구된다. 또한, 표면 평활도, 다른 심미적 특성, 굽힘 강성, 또는 패키징 보드에 대한 강도를 개선시키면서 다른 목적하는 성능을 유지하는 방법이 유익하다.
발명의 요약
본 발명은 미세소판 셀룰로스 입자를 함유하는 페이퍼 보드에 관한 것으로서, 표면 평활도, 심미적 특성, 굽힘 강성 및 강도 성능이 개선된다. 미세소판 셀룰로스 입자는 페이퍼보드의 표면 처리에 사용되는 경우, 미세소판은 보드 표면상에 섬유들 사이에 보이드를 채운다. 결과적으로, 처리된 보드는 강도 및 표면 특 성, 가령 평활도, 불투명도, 코팅성 및 인쇄성을 갖지만, 굽힘 강성은 손상되지 않는다. 또한, 본 발명은 고밀도화(densification)를 요구하지 않으면서 보드 강도, 표면 평활도 및/또는 굽힘 강성을 향상시키고 다른 목적하는 성능을 유지하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 미세소판 셀룰로스 입자(microplatelet cellulose particles, MPC)의 SEM 촬상이다.
도 2는 본 발명의 미세소판 셀룰로스 입자(MPC)의 또다른 SEM 촬상이다.
도 3은 MPC 입자의 다른 수준에서(0, 1.4 및 2.8 lb/1,000 ft2) 제2 층으로서 도포된 DSF 핸드시트(handsheet)의 6× 배율의 현미경 촬상이다.
도 4는 침엽수 베이스 층과, (A) MPC 입자 없음 및 (B) 1 lb/1,000 ft2 에서 MPC 입자(MPC 입자는 제지 공정 중에 제2 헤드에 첨가됨)를 함유하는 제2 층을 갖는 페이퍼보드의 200× 배율에서 SEM 표면 네가티브 촬상을 나타낸다.
도 5는 침엽수 베이스 층과, (A) MPC 입자 없음 및 (B) 1 lb/1,000 ft2 에서 MPC 입자(MPC 입자는 제지 공정 중에 제2 헤드에 첨가됨)를 함유하는 제2 층을 갖는 페이퍼보드의 200× 배율에서 SEM 단면 네가티브 촬상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 MPC 입자를 함유하는 페이퍼보드의 밝기와 평활도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 상이한 크기 제제로 도포되고 상이한 압력 수준(0, 50 및 100 pli)에 서 캘린더되는 페이퍼보드 사이즈 프레스의 테이버(Taber) 강성과 셰필드(Sheffield) 평활도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 상이한 코팅 제제로 코팅되고 상이한 압력 수준(0, 50 및 100 pli)에서 캘린더되는 페이퍼보드 블레이드의 테이버 강성과 셰필드 평활도 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
하기의 발명의 상세한 설명은 본 발명의 실시양태를 설명하는 것으로, 첨부된 청구의 범위를 어떤 방식으로도 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 미세소판 셀룰로스 MPC 입자는 약 20 ℃ 내지 약 95 ℃의 온도 범위에서 대기압하에 고마찰 그라인더(high-friction grinder) 또는 버스톤 밀(buhrstone mill)로 섬유 펄프의 현탁액을 통과시킴으로써 수득될 수 있다. 상기 섬유 펄프는 여러번 분쇄 작업을 반복하고 수성 현탁액내 수득된 MPC의 부피평균 입자 크기는 Microtrac X-100 Tri-Laser-System, 레이저 광 산란 입자 크기 분석기를 사용하여 각 통과 이후에 측정된다. 도 1 및 도 2는 기술된 건조 형태의 MPC의 SEM 촬상이다.
본 발명의 MPC는 약 20 마이크론 내지 약 150 마이크론의 부피평균 입자 크기, 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 수평균 입자 크기 및 약 300 마이크론 이하의 95% 부피평균 입자 크기를 갖는다. 95% 부피평균 입자 크기(the 95th percentile volume average particle size)는 전체 MPC의 95%의 부피평균 입자 크기로 정의된다. 기술된 MPC의 입자 크기는 목적하는 최종 용도에 따라 변형될 수 있다. MPC 입자의 농도는 전형적으로 고형물의 약 2% 내지 약 3%이며, 더 높은 % 또는 더 낮은 %의 고형물이 선택된 용도에 따라 제조될 수 있다.
MPC의 수분보유값(water retention value)은 실온에서 원심분리 튜브에 MPC의 1.5% 고형물 수용액의 50 ml를 넣음으로써 측정된다. 사용된 튜브는 50 ml 부피의 눈금이 있는 직경 30 mm ×길이 100 mm이다. 충전된 튜브를 IEC CL2 원심분리기(1500 G)를 사용하여 3000 rpm에서 15분동안 원심분리한다. 튜브는 원심분리기로부터 조심스럽게 제거하고, 맑은 수상과 불투명한 MPC 층사이의 계면에서 부피가 측정된다. 그후 수상을 따라 버리고 MPC 층은 오븐에서 48시간동안 105 ℃에서 건조하여 MPC의 중량을 측정한다. 수분보유값은 하기의 식을 사용하여 계산된다:
수분보유값 = ml(튜브내 침전물 부피)/g(MPC의 O.D. 중량)
본 발명의 MPC는 약 5 ml/g 내지 약 80 ml/g의 범위에서 수분보유값을 가질 수 있다.
다양한 천연 기원으로부터의 셀룰로스 섬유가 본 발명에서 사용될 수 있다. 상기는 이에 한정되는 것은 아니지만, 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 면섬유, 에스파르토 그래스(Esparto grass), 버개스(bagasse), 대마섬유(hemp), 아마섬유(flax) 및 식물계 섬유, 가령 사탕무섬유 및 시트러스 펄프(citrus pulp)를 포함한다. 목재 펄프는 화학적 처리, 가령 크래프트, 설파이트 및 설페이트 공정; 기계적 펄프, 가령 쇄목펄프(groundwood) 및 열역학적 펄프; 및 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 상기 섬유 펄프는 고마찰 분쇄 공정으로 처리되기 이전에 변형될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 화학적 변형, 효소적 처리, 기계적 처리 및 이의 조합을 포함하는 몇가지 변형 방법이 적용될 수 있다. 또한, 합성 섬유 및/또는 충전제, 가령 클레이 또는 이산화티탄은 섬유 펄프와 조합된 고마찰 그라인더로 처리할 수 있다.
본 발명의 MPC 입자는 보드의 베이스코트에서 제2 층에 대해서 및/또는 보드의 표면 처리에 사용될 수 있다. 표면 처리는 당분야에 통상의 지식을 가진 사람에게 공지된 다양한 기술로 실시될 수 있다. 상기는 이에 한정되는 것은 아니지만, 사이즈-프레스(size-press), 롤 코팅(roll coating), 블레이드 코팅(blade coating), 로드 코팅(rod coating), 스프레이(spraying), 커튼 코팅(curtain coating) 및 초지기에서 헤드박스에 의해 형성되는 표면층을 포함한다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 기술된 페이퍼보드는 페이퍼보드 1,000 ft2 당 약 0.10 lbs 내지 약 20 lbs의 범위의 양으로 MPC를 포함한다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 기술된 페이퍼보드는 페이퍼보드의 전체 중량을 기준으로 하여 약 0.1% 내지 약 50%의 범위의 양으로 MPC를 포함한다.
본 발명의 하나의 실시양태에서, 기술된 MPC를 포함하는 페이퍼보드는 약 25 g-cm 내지 약 500 g-cm의 MD-CD 기하 평균 테이버 강성값(MD-CD geometric mean Taber stiffness value)을 갖는다.
페이퍼보드 베이스코트의 제2 층내 MPC
침엽수 펄프를 함유하는 제1 층 및 침엽수 펄프와 상이한 양의 MPC 입자를 함유하는 제2 층으로 구성된 핸드시트(handsheet)가 동적 시트 형성기(dynamic sheet former, DSF)를 사용하여 제조된다. 제2 층내 유일하게 침엽수 펄프(0% MPC)만을 함유하는 DSF 시트가 대조군으로서 사용된다. MPC 입자는 전체 제2 층의 2.5 중량% 및 5 중량%에서 제2 층에 첨가되며, 각각 1.4 및 2.8 lb/1,000 ft2로 보정된다. 상이한 수준의 MPC 입자를 함유하는 수득된 DSF 핸드시트는 공극률, 불투명성, 인장 강도 및 평활도에 대해서 평가된다.
(i) 공극률 특성(porosity Property)
DSF 시트의 공극률은 TAPPI 방법 T 460 om-96에 따라 걸리 공극률(Gurley porosity)을 사용하여 측정된다. 걸리 공극률(초)은 DSF 시트를 통해 공기가 침투하는데 요구되는 시간을 측정한다. 걸리 공극률 값의 증가는 시트 공극률의 감소에 의한 시트를 통한 공기 침투성의 감소를 나타낸다(표 I).
Figure 112008042286712-PCT00002
제2 층내 5% MPC 입자를 함유하는 DSF 시트(2.8 lb/1,000 ft2)는 보드 공극률에 있어서 5배 이상 감소되는 것을 나타내며, MPC 입자를 함유하지 않는 DSF 시트에 대해 140초에서 2.8 lb/1,000 ft2의 MPC 입자를 함유하는 시트에 대해서 790초로 걸리 공극률의 증가를 나타낸다(표 I).
DSF 시트의 제2 층에 도포된 경우, MPC 입자는 섬유 보이드를 채우고, 처리된 시트 표면상에 매우 매끄러운 층을 형성한다.(도 3) 결과적으로, MPC 표면-변형된 보드는 비(非)-MPC 변형된 보드와 비교하여 더 낮은 코트 중량에서 개선된 표면 평활도, 더 높은 불투명도 및 밝기를 갖는다.
(ii) 불투명성(opacity property)
불투명성에 있어서, 제2 층에서 MPC 입자의 상이한 수준을 포함하는 DSF 핸드시트는 20 bar 압력 및 125 ℉의 온도에서 캘린더링되고 전체 고형물 중량에 기초하여 약 80% 클레이를 함유하는 안료 코팅 제제로 탑코팅한다. 안료 코팅을 권선형 로드(wire-wound rod) 제5번 및 제12번을 사용하여 보드 표면에 도포된다. DSF 시트의 밝기는 Technidyne Corporation에 의해 제조된 Brightimeter Micro S-5를 사용하여 측정된다. 베이스코트만을 갖는 DSF 시트는 대조군으로서 사용된다.(표 II)
Figure 112008042286712-PCT00003
MPC 입자는 DSF 시트의 제2 층에 첨가되는 경우, 코팅 시트의 밝기는 감소된 코팅 수준에서 조차도 대조군의 밝기와 비교하여 증가된다. MPC 입자가 제2 층에 사용되는 경우, MPC는 침엽수 베이스 층의 표면 보이드를 채우고 코팅 성능을 향상시킨다.
(iii) 인장 강도 특성(tensile strength property)
제2 층에서 상이한 수준의 MPC 입자를 함유하는 DSF 핸드시트의 인장 특성은 MD 및 CD 방향에서 시험된다.
도포된 제2 층의 형태로부터 겉보기 효과를 갖지 않는 MD:CD 비율은 2.4 내지 3.0의 범위이다. MPC 입자가 제2 층으로 도포되는 경우 모듈러스가 크게 증가된다. 시트의 제2 층에 7.5%의 MPC 입자의 첨가는 모듈러스를 617 Kpsi에서 806 Kpsi로 증가되며(30% 증가), 시트의 강도는 MPC 입자를 시트의 제2 층으로 첨가함으로써 증가될 수 있다.(표 III)
Figure 112008042286712-PCT00004
MPC는 섬유 펄프와 혼합될 수 있으며, 제지 공정 동안 제2 헤드박스에서 페이퍼보드에 첨가된다.
(i) 표면 분석(surface analysis)
SEM 표면 네가티브 촬상 및 단면 네가티브 촬상은 침엽수 베이스 층과, 목재 펄프 및 MPC 입자를 함유하는 제2 층을 갖는 페이퍼보드에 대해서 수득되며, MPC 입자는 제지 공정 동안 제2 헤드박스에 첨가된다(도 4 및 도 5). 상기 SEM 촬상으로 표면상에 반연속 필름을 형성함으로써 MPC 입자를 페이퍼보드 표면상에 섬유 대 섬유 보이드를 채웠는지를 확인한다. 페이퍼보드 표면상에 형성된 MPC 필름의 두께는 약 2㎛이다.
(ii) 인장 강도 및 공극률
약 1 lb/1,000 ft2의 MPC 입자를 함유하는 MPC-변형된 페이퍼보드는 MPC 입자를 함유하지 않는 페이퍼보드와 비교하여 인장 강도는 47% 증가하고 탄성 모듈러스는 33% 증가된다. 공극률 측정은 공기 침투성에 있어서 약 10배 감소되며; MPC 입자를 함유하지 않는 페이퍼보드에 대해서 4 sec/100 cc 공기의 걸리 공극률에서 MPC-변형된 페이퍼보드에 대해서 약 42 sec/100 cc이다.
제지 공정 중에 상이한 위치에서 MPC의 도포
본 발명의 MPC 입자는 몇가지 도포 수단을 사용하여 제지 공정의 습윤 부분에 상이한 단계에서 페이퍼보드에 도포될 수 있다. 상기는 제2 층에 대한 활엽수 섬유와의 혼합물로서 제지 공정의 제2 헤드박스에 첨가될 수 있거나 또는 (활엽수 섬유 없이) 단독으로 침엽수 베이스 층에 첨가될 수 있다. 또한, 개시된 MPC는 슬롯 코팅(slot coating), 커튼 코터(curtain coater) 및 스프레이 코팅(spray coating)과 같은 전형적이 페이퍼 코팅 장치를 사용하여 제지 공정의 습윤 부분 및 건조 부분에서 페이퍼보드에 도포될 수 있다.
TiO2가 탑코트된 MPC 베이스코트 페이퍼보드의 평활도는 TAPPI 방법 T 555 pm-94에 따른 파커 프린트 평활도(PPS-10)를 사용하여 측정되며, 더 낮은 PPS-10 수는 보드의 평활도가 더 높은 것을 나타낸다. 페이퍼보드의 밝기는 Technidyne Corporation에 의해서 제조된 Brightimeter Micro S-5를 사용하여 측정되며, 보드의 밝기는 밝기 값과 비교하여 증가된다. (표 IV).
Figure 112008042286712-PCT00005
도 6은 보드의 밝기와 평활도 사이의 관계를 나타낸다. 또한, 본 발명의 TiO2 탑 코트된 MPC-변형된 페이퍼보드의 밝기 및 평활도는 표백되지 않은 침엽수 베이스 페이퍼보드 및 Mahrt Mill, MeadWestvaco Corp.에서 제조된 시판용 베이스 페이퍼보드를 탑 코트 안료로 코팅함으로써 제조된 코팅 보드의 밝기 및 평활도과 비교하였다.
TiO2 탑코트된 MPC-변형된 페이퍼보드의 밝기 특성은 보드의 평활도과 직접 비례한다. 상기는 도 4의 SEM 촬상에 개시된 바와 같이 후면 진공 및 높게 희석된 공급 조건에서 습식 부분 상에 첨가되는 경우조차도 보드의 표백되지 않은 섬유 표면상에 섬유 대 섬유 보이드를 충전하는 얇은 필름으로서 보유되는 것이 확인되었다. 개시된 MPC는 결합제 또는 유동 조절제를 갖는 제제가 요구되지 않고 셀룰로스 표면상에 필름-형성 특성을 나타낸다. 한편, 공지된 기술의 미세섬유는 페이퍼보드에 첨가되기 전에 다른 성분들, 가령 결합제 및 유동 조절제를 안정한 콜로이드로 제제화할 수 있다. 제지 공정 중 고유한 심한 유체역학적 조건하에, 공지된 기술의 콜로이드성 셀룰로스 미세섬유는 표면에 평면 필름을 형성하지 않고 웹(web)을 통해서 드레인되는 경향이 있다. 섬유 웹 표면상에 개시된 MPC의 필름-형성성은 제지 공정 중에 종래의 장치를 사용하여 MPC를 첨가하고, 추가의 건조 용량을 위한 자본 비용을 최소화시킨다.
본 발명의 MPC를 포함하는 TiO2로 탑코트된 페이퍼보드는 밝기와 황색 광학값으로 표시되는 경우 MPC를 함유하지 않는 TiO2 탑코트된 페이퍼보드와 비교하여 표백되지 않은 갈색 보드 층을 은폐하기 위해 높은 불투명도를 갖는다. 상기 TiO2 탑코트된 MPC-변형된 페이퍼보드의 개선된 광학 특성은 보드 표면의 평활도를 개선시키며, MPC는 섬유 보이드를 채우고, 섬유 웹 베이스 층의 표면상에 얇은 필름을 형성한다. 결과적으로, 베이스 층에서 표백되지 않은 갈색 섬유를 은폐하기 위해서 페이퍼보드의 탑코트상에 요구되는 TiO2 안료의 양은 TiO2 탑코트의 도포 이전에 페이퍼보드의 제2 층에 개시된 MPC가 존재하는 경우 최소화될 수 있다.
사이즈 프레스 대 표면 코팅을 통한 MPC의 도포
MPC는 고마찰 그라인더를 사용하여 표백 활엽수의 현탁액을 습식 분쇄함으로써 제조된다. 제조된 MPC는 약 1500g의 상대 원심력을 제공하는 150 mm의 반경을 갖는 50 ml의 회전하는 버킷을 갖는 IEC CL2 원심분리기를 사용하여, 15분동안 3000 rpm의 회전 속도에서 1.5%의 MPC 용액의 50 ml를 원심분리함으로써 측정하여 약 50-80 마이크론의 명목 부피평균 입자 크기와 25-40 ml/g 건조 섬유의 수분보유값을 갖는다.
2.7%의 고형물로 제조된 MPC 현탁액은 표 V에서와 같이 다른 조성으로 스타치(Penford Products Co.제 Penford Gum 280) 및 클레이(Thiele Kaolin Co.제 Kaobrite 90)로 제제화될 수 있다.
사이즈 프레스 적용을 위해서, 제제는 200 ft/분의 속도 및 35 psi의 최소 프레스 하중에서 12인치 웹을 갖는 채워진 닙 사이즈 프레스(flooded nip size press)를 사용하여 10 mil-표백 SBS 페이퍼보드의 양쪽면에 도포하였다.
표면 코팅 적용을 위해서, 제제는 900 ft/분의 속도에서 구불어진 블레이드 어플리케이터를 사용하여 10 mil-표백 SBS 페이퍼보드의 한쪽면에 도포한다.
코트 중량은 MPC 대 스타치 대 클레이의 공지된 비율로부터 계산되며, 페이퍼보드의 회분 함량은 비코팅 보드보다 적게 측정된다.(표 V)
Figure 112008042286712-PCT00006
코팅 페이퍼보드는 2개의 다른 압력, 50 및 100 pli 압력에서 캘리더링된다.
(i) 테이버 강성(Taber stiffness)
Figure 112008042286712-PCT00007
캘린더링 없이 코팅 페이퍼보드는 표 VI에 개시된 바와 같이 테이버 강성에 대해서 시험한다. 테이버 강성은 2004년 개정판의 TAPPI 시험 방법 T 489 om-04에 따라 MD 및 CD 강성의 기하 평균(GM)을 사용하여 측정된다. GM은 MD 및 CD 테이버 강성의 기하 평균 값이며, GM = (MD × CD)1/2.
2개의 다른 수준에서 캘린더링하는 코팅 페이퍼보드의 테이버 강성이 평가되고 캘린더링되지 않은 코팅 보드와 비교한다.(표 VII)
Figure 112008042286712-PCT00008
(ii) 표면 평활도(surface smoothness)
TAPPI 시험 방법 T 538 om-01 (2001년 개정판)을 사용하여, 캘린더링된 코팅 페이퍼보드의 셰필드 표면 평활도가 측정되며, 캘린더링되지 않은 비코팅 페이퍼보드와 비교한다.(표 VIII)
Figure 112008042286712-PCT00009
도 7은 캘린더링되지 않거나 또는 50 및 100 pli 압력에서 캘린더링된, 사이즈 공정에서 도입된 다른 사이징 제제를 갖는 페이퍼보드의 테이버 강성과 셰필드 표면 평활도 사이의 관계를 나타낸다.
코팅 페이퍼보드가 캘린더링되는 경우, 상기의 표면 평활도가 향상되면서 이의 굽힘 강성은 떨어진다. 압력 수준이 더 높아지면, 보드가 캘린더링되고, 셰필드 평활도 값이 더 낮아짐으로써 개시되는 바와 같이 표면 평활도가 더 높아지지만, 그러나 테이버 강성 값이 더 낮아짐으로써 굽힘 강성 특성이 더 떨어진다.
Figure 112008042286712-PCT00010
표 IX는 다른 제제로 사이즈된 표면들을 갖는 페이퍼보드의 테이버 강성을 나타내며, 이들은 100의 동일한 셰필드 평활도 값으로 캘린더링된다. 1% MPC, 8% 스타치 및 8% 클레이를 포함하는 제제로 사이즈된 보드 표면은 약 20의 테이버 강성값을 보이며, 이는 약 13.10의 테이버 강성을 갖는 표면 사이징 없이(물만으로 사이징됨) 페이퍼보드의 테이버 강성으로부터 약 53% 증가한다. 스타치, 또는 스타치와 클레이의 배합물로 사이징된 페이퍼보드의 표면에 있어서, 이들의 테이버 강성은 표면 사이징되지 않은 페이퍼보드와 비교하여 향상되지만, 약 30% 증가된다.
도 8은 캘린더링되지 않거나, 또는 50 및 100 pli 압력에서 캘린더링된, 상이한 코팅 제제로 블레이드 코팅된 페이퍼보드의 테이버 강성과 셰필드 표면 평활도 사이의 관계를 나타낸다.
Figure 112008042286712-PCT00011
표 X는 다른 제제로 블레이드 코팅된 표면들 중 하나를 갖는 페이퍼보드의 테이버 강성을 나타내며, 이들은 100의 동일한 셰필드 평활도 값으로 캘린더링된다. 1% MPC, 8% 스타치 및 8% 클레이를 포함하는 제제로 블레이드 코팅된 보드는 약 20의 테이버 강성 값을 보이며, 이는 약 13.10의 테이버 강성을 갖는 물만으로 블레이드 코팅된 페이퍼보드의 테이버 강성으로부터 약 50% 증가된 것이다. 8%의 스타치 및 8% 클레이를 포함하는 제제로 블레이드 코팅된 페이퍼보드에 있어서, 이의 테이버 강성은 물만으로 블레이드 코팅된 페이퍼보드와 비교하여 향상되었지만, 그러나 약 34%이다.
페이퍼보드가 표면 사이징제 또는 코팅과 같이 개시된 MPC를 포함하는 제제로 도포되는 경우, 캘린더링이 실시되어 굽힘 강성 성능에서 부정적인 효과가 크게 감소되는 처리된 페이퍼보드의 표면 평활도를 향상시킬 수 있다.
상기의 상세한 설명은 본원 발명을 예시하고 설명하기 위한 실시양태이며, 이는 본 발명을 제한하는 것으로 이해되지 않는다. 변경 및 변화가 당분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 명백하게 본원 안에서 만들어질 수 있다. 상기 변형은 하기의 청구의 범위에서 한정하는 본 발명의 범위안에서 고려되어야 한다.

Claims (24)

  1. 페이퍼보드의 적어도 하나의 면에 위치한 미세소판 셀룰로스 입자(microplatelet cellulose particles)를 포함하는 페이퍼보드로서,
    상기 미세소판 셀룰로스 입자는 약 20 마이크론 내지 약 150 마이크론의 부피평균 입자 크기, 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 수평균 입자 크기, 및 약 300 마이크론 이하의 95% 부피평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    미세소판 셀룰로스 입자는 약 5 ml/g 내지 약 80 ml/g 범위의 수분보유값(water retention value)을 갖는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    미세소판 셀룰로스 입자는 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 면섬유, 에스파르토 그래스(Esparto grass), 버개스(bagasse), 대마섬유(hemp), 아마섬유(flax), 사탕무섬유, 시트러스 펄프(citrus pulp), 표백 크래프트 펄프, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 섬유 펄프로부터 유래되는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 섬유 펄프는 화학적 처리, 효소 처리, 기계적 처리 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법으로 전처리되는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    미세소판 셀룰로스 입자의 양은 페이퍼보드의 1,000 ft2 당 약 0.10 lbs 내지 약 20 lbs인 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    미세소판 셀룰로스 입자의 양은 페이퍼보드의 전체 중량을 기준으로 하여 약 0.1% 내지 약 50%인 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    약 25 g-cm 내지 약 500 g-cm의 MD-CD 기하 평균 테이버 강성 값(MD-CD geometric mean Taber stiffness value)을 갖는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    이산화티탄, 클레이, 탄산칼슘, 알루미늄 삼수화물, 비정질 실리카, 비정질 실리케이트, 새틴 화이트(satin white), 탈크, 산화아연, 황산바륨, 높은 애스팩트 비(aspect ratio)의 미네랄 충전제 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 불투명화 안료(opacifying pigment)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  9. 제 1 항의 페이퍼보드를 포함하는 패키징 재료(packaging material).
  10. (10.i) 베이스 페이퍼; 및
    (10.ii) 베이스 페이퍼의 적어도 한면에 위치한 1 이상의 층(상기 층은 약 20 마이크론 내지 약 150 마이크론의 부피평균 입자 크기, 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 수평균 입자 크기, 및 약 300 마이크론 이하의 95% 부피평균 입자 크기를 갖는 미세소판 셀룰로스 입자를 포함함)을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  11. 제 10 항에 있어서,
    베이스 페이퍼는 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 재활용 페이퍼 섬유 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  12. 제 10 항에 있어서,
    층(10.ii)내 미세소판 셀룰로스 입자의 양은 페이퍼보드 1,000 ft2 당 약 0.10 lbs 내지 약 20 lbs인 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  13. 제 10 항에 있어서,
    층(10.ii)내 미세소판 셀룰로스 입자의 양은 페이퍼보드의 전체 중량을 기준으로 하여 약 0.1% 내지 약 50%인 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  14. 제 10 항에 있어서,
    약 25 g-cm 내지 약 500 g-cm의 MD-CD 기하 평균 테이버 강성 값을 갖는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  15. 제 10 항에 있어서,
    이산화티탄, 클레이, 탄산칼슘, 알루미늄 삼수화물, 비정질 실리카, 비정질 실리케이트, 새틴 화이트, 탈크, 산화아연, 황산바륨, 높은 애스팩트비의 미네랄 충전제 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 불투명화 안료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  16. (16.i) 베이스 페이퍼;
    (16.ii) 베이스 페이퍼의 적어도 한면에 위치한 1 이상의 층(상기 층은 약 20 마이크론 내지 약 150 마이크론의 부피평균 입자 크기, 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 수평균 입자 크기, 및 약 300 마이크론 이하의 95% 부피평균 입자 크기를 갖는 미세소판 셀룰로스 입자를 포함함); 및
    (16.iii) 상기 층(16.ii)의 표면에 형성되는 불투명화 안료를 포함하는 코팅 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  17. 제 16 항에 있어서,
    베이스 페이퍼는 침엽수 섬유, 활엽수 섬유, 재활용 페이퍼 섬유 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  18. 제 16 항에 있어서,
    층(16.ii)내 미세소판 셀룰로스 입자의 양은 페이퍼보드 1,000 ft2 당 약 0.10 lbs 내지 약 20 lbs인 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  19. 제 16 항에 있어서,
    층(16.ii)내 미세소판 셀룰로스 입자의 양은 페이퍼보드의 전체 중량을 기준으로 하여 약 0.1% 내지 약 50%인 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  20. 제 16 항에 있어서,
    약 25 g-cm 내지 약 500 g-cm의 MD-CD 기하 평균 테이버 강성 값을 갖는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  21. 제 16 항에 있어서,
    코팅 층(16.iii)내 불투명화 안료는 이산화티탄, 클레이, 탄산칼슘, 알루미늄 삼수화물, 비정질 실리카, 비정질 실리케이트, 새틴 화이트, 탈크, 산화아연, 황산바륨, 높은 애스팩트비의 미네랄 충전제 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 페이퍼보드.
  22. 미세소판 셀룰로스 입자를 포함하는 코팅 조성물로서,
    상기 미세소판 셀룰로스 입자는 약 20 마이크론 내지 약 150 마이크론의 부피평균 입자 크기 및 약 5 마이크론 내지 약 20 마이크론의 수평균 입자 크기를 가지며, 미세소판 셀룰로스 입자의 약 95%는 약 50 마이크론 내지 약 300 마이크론의 부피평균 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  23. 제 22 항에 있어서,
    이산화티탄, 클레이, 탄산칼슘, 알루미늄 삼수화물, 비정질 실리카, 비정질 실리케이트, 새틴 화이트, 탈크, 산화아연, 황산바륨, 높은 애스팩트비의 미네랄 충전제 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 불투명화 안료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
  24. 제 22 항에 있어서,
    가교제, 응고제, 가소제, 완충제, 중화제, 증점제, 유동변형제, 흡습제, 습윤제, 살충제, 가소제, 소포제, 착색제, 충전제, 왁스 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 1 이상의 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 조성물.
KR1020087014279A 2006-09-12 2007-09-05 미세소판 셀룰로스 입자를 포함하는 페이퍼보드 KR20080096747A (ko)

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